Katzen und Mäuse mögen sich nicht besonders, aber beide verwenden einen sehr ungewöhnlichen Mechanismus, um die Nachtsicht zu verbessern.
Gefärbte DNA im Kern einer Maus-Stäbchenzelle (oben links) weist eine Umkehrung von dicht gepacktem (blau und rot) und unverpacktem (grün) genetischem Material auf. Die verbleibenden Zellen sind das Ganglion (unten links) und die Haut (rechts)
Wie bei anderen nachtaktiven Tieren ist die DNA einiger Augenzellen so verpackt, dass sie winzige Linsen bildet, die helfen, das Licht effizient zu fokussieren. Das sind die unerwarteten Ergebnisse einer Studie deutscher Wissenschaftler.
Die Arbeit widmete sich lichtempfindlichen Rezeptorzellen – „Stäbchen“(stäbchenförmige Sehzellen), die sich auf der Netzhaut des Auges befinden. Die Stäbchen sind für das Nachtsehen zuständig und sammeln schwaches Streulicht. Die zweite Art von Photorezeptorzellen - Zapfen - arbeitet bei hellem Licht. Die Stäbchen sind so empfindlich, dass sie den Aufprall eines einzelnen Photons erkennen können, während die Zapfen Dutzende oder sogar Hunderte davon benötigen. Aber sie haben nur ein lichtempfindliches Pigment, und die Stäbchen erzeugen nur ein Schwarz-Weiß-Bild (Zapfen haben 3 davon und sie bilden ein Farbbild).
Es sei auch daran erinnert, dass das genetische Material aller Zellen in ihren Kernen enth alten ist, in einem fadenförmigen DNA-Molekül, und in höheren Organismen wird der Faden wiederholt verdreht und in Chromosomen verpackt. Wenn eine Zelle Informationen aus einem bestimmten DNA-Abschnitt lesen muss, entwirren spezielle Proteine den notwendigen Teil des DNA-Strangs und andere packen ihn wieder zurück. In der Regel befinden sich die Gene, auf die die Zelle ständig zugreift, näher am Zentrum des Zellkerns, wo alle Protein-„Maschinen“ständig zur Verfügung stehen, um mit ihnen zu arbeiten. Und umgekehrt: Inaktive Gene wandern an die Peripherie des Zellkerns.
Aber eine Untersuchung von Stäbchenzellen in der Netzhaut von Mäusen zeigte, dass es bei diesen Zellen anders ist. Aktive Gene werden aus dem Kern verdrängt, und das Zentrum wird von dicht gepackter DNA besetzt, die inaktive Gene enthält. „Alles, was drinnen sein sollte, stellte sich als draußen heraus“, ist Boris Joffe, einer der Autoren der Arbeit, überrascht, „und alles, was draußen sein sollte, stellte sich als drinnen heraus. Absolut ketzerische Tatsache.“
Anfangs konnten die Wissenschaftler den Zweck einer solch radikalen Rekonstruktion nicht verstehen. Am Ende entschieden sie sich, die Netzhautstäbchen anderer Organismen zu untersuchen und zu sehen, ob dies auch bei ihnen der Fall war. Nachdem sie mehrere Dutzend Säugetiere untersucht hatten, fanden sie schließlich das Prinzip. Es stellte sich heraus, dass Stöcke diese ungewöhnliche Eigenschaft nur bei nachtaktiven Tieren zeigen - Katzen, Ratten, Opossums, Hirsche, Kaninchen, Frettchen. Die Bewohner des Tages haben alles wie gewohnt arrangiert.
Aber es blieb unklar, wie genau die nächtliche Lebensweise diese ungewöhnliche Neuordnung des Stäbchenverh altens verursacht. Die Wissenschaftler mussten sich an ihren Cambridge-Kollegen Jochen Guck wenden. Er sagt: „Mir war sofort klar, dass der Kern als zusätzliche Linse funktionieren könnte.“
In der Tat ist es möglich, indem man dicht gepackte DNA in die Mitte des Kerns bringt, dass der Brechungsindex des Kerns stark ansteigt. Dichtes Material verlangsamt die Bewegung von Lichtphotonen leicht, während entwirrtes und weniger dichtes aktives genetisches Material an den Rändern und außerhalb des Kerns sie nicht so sehr verlangsamt. Dieser Effekt erzeugt aus dem Kern eine Linse, die das Licht genau in die Mitte der Zelle fokussiert.
Und dann - eine Frage der Anatomie. Die Stäbchen sind in Stapeln in der Netzhaut gepackt, so dass ihre Zellkerne, die wie Linsen funktionieren, übereinander liegen und sich wie eine lebende Faser entlang der Kette gegenseitig Licht übertragen. Jochen Gack testete seine Idee am Computer. Er erstellte ein Modell, das zeigte, dass, wenn Stäbchenzellen verpackte DNA in der Mitte speichern und die unverpackte DNA an den Rändern verteilen, wie es bei nachtaktiven Tieren der Fall ist, Licht durch solche Linsen gesammelt werden kann.
Eine solche Art der Nutzung des Allerheiligsten der Zelle, ihrer DNA, wurde erstmals von Wissenschaftlern entdeckt. Bei anderen Tieren, etwa Fischen oder Eidechsen, wirken winzige Öltröpfchen wie eine zusätzliche Linse in den Stäbchen, und die Verwendung von DNA für diesen Zweck ist eine äußerst ungewöhnliche Lösung.
Diese DNA-Umkehrung könnte ein „Relikt der Vergangenheit“von den ersten Vorfahren moderner Säugetiere sein, die mit ziemlicher Sicherheit alle nachtaktiv waren. An sich ist eine solche Konfiguration ungünstig, da für die ständige Arbeit mit räumlich verteilten aktiven Genen eine zusätzliche Anzahl von Arbeitsproteinen benötigt wird. Im Laufe der Zeit kehrten die Stäbchen bei den Tieren, die keine zusätzliche Nachtsichtkraft benötigen, zum üblichen Schema zurück, und die Inversion blieb nur bei nachtaktiven Bewohnern erh alten.
Man muss sagen, dass andere Wissenschaftler dieser Nachricht eher skeptisch gegenüberstanden. Demnach haben nachtaktive Tiere bereits genügend Stäbchenzellen, und nachts gibt es so wenige Photonen, dass sie nicht von einer Zelle zur anderen übertragen werden müssen. Genauer gesagt ist unklar, ob dieser Mechanismus tatsächlich die Nachtsicht verbessern kann.
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